问天实验舱技术亮点解读中国空间站再添新

本文转自；中国空间站再添“新房”——问天实验舱技术亮点解读■韩阜业温永至谭仁炜发射前，科研人员正在测试问天实验舱。图片由航天科技集团五院提供7月24日14时22分，搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭，在我国文昌航天发射场准时点火发射。约秒后，问天实验舱与火箭成功分离并进入预定轨道，发射取得圆满成功。7月25日3时13分，问天实验舱成功对接于天和核心舱前向端口。几代中国航天人、千千万万中国人梦想中的“天宫画卷”，正在缓缓拉开帷幕。神舟、天舟、天和、问天……伴随着一次次颇具诗意的浪漫出发，中国航天人也在向世界传达着这样一个决心：“在星辰大海的征途上，中国航天永不止步。”比天和核心舱更高、更大、更重，“体型”大致相当于一节地铁车厢7月25日10时03分，神舟十四号飞行乘组成功开启问天实验舱舱门，顺利进入问天实验舱。问天实验舱的舱体总长17.9米，直径4.2米，发射重量达23吨，相关指标高于天和核心舱，“体型”大致相当于一节地铁车厢，是全世界现役在轨最重的单舱主动飞行器。对在轨的3位航天员来说，问天实验舱的到来可谓是“新房上线”。结构上，问天实验舱由工作舱、气闸舱及资源舱3部分组成。其中，工作舱用来完成科学实验，气闸舱用来支持太空出舱，资源舱用来储备上行物资。工作舱长达9米，是目前我国航天器中体型最大、承载最重的密封舱。这里，还是航天员的生活工作场所。完成对接后，中国空间站的“床位”数增加到6个，静候神舟十四号、神舟十五号两乘组6名航天员的“太空会师”。为了打造舒适安全的“太空之家”，航天科技集团五院空间站结构与机构设计团队在工作舱研制过程中，开展了大量人性化设计——通过可翻转式柜门设计，使储物效率更高；3个独立“卧室”自带防辐射舷窗，让航天员能安心欣赏舱外风景；独立卫生区进一步提升了私密性……此外，为了让密封舱更加坚固耐用，能够按照在轨设计寿命稳定运行，设计人员还在舱壁上设计了如同“金丝软甲”一般的防护结构。问天实验舱携带8个实验机柜、22个舱外载荷适配器，仿佛把一个大型科学实验室搬到了太空。航天员出了“卧室”就能“上班”，可以在太空开展大规模的空间科学实验。为了更好地开展空间科学实验，问天实验舱搭载了我国首台“太空冰箱”。不到0.5平方米的空间内，高密度集成3个冷冻冷藏区，其中包括一个温度可达零下80摄氏度的深冷环境。据了解，空间站对设备材料的选择有严格要求，这就导致很多地面常用的降噪材料不适用于空间站。因此，在问天实验舱内，“太空冰箱”的降噪问题成了一个难题。为了给问天实验舱营造安静的环境，科研人员在消声室内搭建了一个测试平台，攻克了复杂系统带来的传递路径繁琐这一问题。在千丝万缕的关联中，科研人员找到了几个关键环节。他们对泵机进行了开创性设计，保证制冷效率的同时，将声能输入降至最低。与此同时，他们选用新型附着材料，提升结构的阻尼，改良箱体的声辐射效率……就这样，每个细节都做到极致，每个设计都想到极限，“航天冰箱”在不改变体积的情况下，噪声指标竟然降低了近20分贝。除了试验载荷功能，问天实验舱还与天和核心舱互为备份，关键平台功能一致，在需要的时候可以完全覆盖空间站组合体工作要求。同时，问天实验舱提供了专用气闸舱和应急避难场所，让中国空间站的在轨运行风险更加可控，在轨长寿命运行更加可靠。用四两拨千斤的“中国功夫”，让问天实验舱在太空中平稳“翱翔”空间站三舱虽统一设计，但每个舱段“各有千秋”。作为集“主动交会追踪、组合体跨舱融合管理、大型能源供给、舱内外载荷高效支持”等诸多功能为一体的舱段，问天实验舱有着强大的能源管理系统。在外形上，问天实验舱与天和核心舱有明显不同——前者尾部有一对巨大的“翅膀”，也就是太阳帆板或称柔性太阳电池翼。问天实验舱配置的是目前国内研制的最大面积可展收柔性太阳翼，单翼全展开状态下最长达27米，展开面积可达平方米。两个硕大的太阳帆板一起工作，平均每天的太阳能发电量将超过度。在地面，这足够一个普通家庭用上一个半月。无论是展开面积还是供电能力，这对“翅膀”都达到了天和核心舱太阳翼的两倍多，双翼超万瓦级的供电让空间站基本实现了“用电无忧”。问天实验舱的太阳帆板面积大、柔性大，带着这样一对又大又软的“翅膀”进行交会对接，控制难度之高堪称空前。问天实验舱与空间站组合体交会对接时，两只“翅膀”全部张开。为了避免对接产生的碰撞冲击损伤“翅膀”，此次太阳翼的展开分“两步走”共7个步骤进行，中间还会有一次“中场休息”，全程历时80分钟。展开、锁紧、再展开、再锁紧，凭借其“高可靠可重复展收”的硬核技术，问天实验舱太阳翼在太空中收放自如、刚柔并济，时刻确保电力“在线”。此外，在半刚性太阳帆板控制基础上，航天科技工作者研制出抑制柔性太阳帆板振动的方法，用四两拨千斤的“中国功夫”，让问天实验舱在太空中平稳“翱翔”。此前，我国航天器大多使用半刚性太阳帆板，年发射的空间站核心舱首次使用了柔性太阳帆板。半刚性太阳帆板的固有频率范围窄，算法简单易控制；柔性太阳帆板非常软，固有频率范围很宽，航天器上稍有同样的控制频率与它的固有频率重合，帆板就会被激发而振动起来。如果控制不好，每次“温柔一振”都可能对航天任务造成致命影响。这就好比两个人用扁担挑水——会挑水的人，健步如飞的同时巧妙调整身体起伏频率和幅度，进而控制肩上扁担的颤动，令水桶里的水只泛起微小波纹。不会挑水的人，则没有掌握控制扁担的技巧，致使扁担上下抖动严重，水桶晃动厉害，行走速度也受扁担影响而忽快忽慢。回到家时，本来装满水的水桶，可能就只剩下半桶水了。专家们就是通过类似的原理，控制航天器的姿态来抑制振动。虽然调整的幅度很小，发挥的作用却很大。首先，他们通过摄像机观察等手段，识别柔性太阳帆板的振动参数。然后，计算机通过相应的算法来确定航天器需要做出的姿态调整，并将命令下达给负责调整航天器姿态的执行机构。虽然研制人员对国外抑制太阳帆板振动的技术细节知之甚少，但从实际控制效果来看，我们自主创新设计的这种控制方法，更适合中国航天器的“体质”。空间站在轨建造完成后，天和核心舱的一个太阳帆板将转移到问天实验舱资源舱的尾部。这样一来，天和核心舱将“专心致志”进行空间站管理工作，问天实验舱将成为名副其实的“主发电站”，为组合体源源不断地供电送能。问天实验舱舱内配置了多种科学实验设施，就像把一个大型科学实验室搬到了太空问天实验舱的一大特点，就是配置了全新的出舱气闸舱。在问天实验舱中，气闸舱的视觉效果十分独特。外方内圆的它，是空间站系统唯一一个看上去是方形的舱体。里面的圆柱状结构，是航天员开展出舱活动时的“更衣间”，航天员在这里作出舱准备和舱外返回时，可以更舒展、更从容。未来，这里将成为整个空间站系统的主要出舱通道。出舱气闸有一个直径达1米的大门。航天员从这里进进出出，不仅更加方便，而且还能携带大个头的设备出舱工作，舱外工作能力大大提升。问天实验舱是空间站系统中舱外活动部件最多的舱体，大量的舱外设施设备更好地保障了出舱活动，也为更精细的舱外操作提供了支持。出舱气闸外面的方形外壳，是舱外暴露实验平台，上面配置了22个标准载荷接口。未来，空间站搭载的科学实验载荷，可以通过机械臂精准“投送”到自己对应的标准载荷接口位置，“即插即用”，航天员不需要出舱进行人工操作了。实施精准“投送”的机械臂，是问天实验舱携带的一套5米长的“小臂”。这套有着7自由度的机械臂小巧、精度高，方便抓取中小型设备，进行更为精细的操作。“小臂”还可以与核心舱的“大臂”联成15米长的组合臂，便于覆盖空间站的各个位置，开展更多舱外操作。届时，组合臂能够在空间站天和、问天、梦天三舱组合体之间活动，能控制的舱外范围更大。以天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱为基本构型的天宫空间站完成建造后，意味着国家太空实验室将正式建成，并将开展长期、多领域、大规模空间科学与应用研究。载人航天工程空间应用系统副总师、中科院空间应用中心研究员吕从民介绍，问天实验舱以生命科学和生物技术研究为主，在空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、空间材料科学、空间应用新技术试验等领域规划部署了研究主题。通过这些科学项目的实施，

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